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1、-届 分 类 号： 单位代码： 毕业论文（设计）晶闸管-电动机调速系统的设计姓 名 学 号 年 级 专 业 系（院） 指导教师 年 3月 8日-第 27 页-摘 要双闭环调速系统是现阶段最为常用的调速系统。该系统具有结构简单、可操作性好、调速精度很高、可靠性与稳定性也很理想等优点。该系统设置了调节转速的转速调节器和调节电流的电流调节器两个调节器来实现转速调节。本设计是基于对V-M系统的设计，先完成系统的结构框架，确定主电路的组织形式并完成对其各个元器件的设计、选型与选参。之后设计了包括保护电路与缓冲电路在内的整个驱动电路。继而是本文的重点-控制电路的设计，确定其结构和元部件，并完成各元件参数计
2、算。最后，用MATLAB仿真软件对整个电路进行了仿真，并附上了整个系统的电气总图。关键词：直流调速系统； PI调节器；仿真分析； Abstract Double closed-loop speed control system is the ideal performance, wide application of DC speed regulating system。This system has simple structure, good operability and high precision of speed and reliability with advantages of
3、 high stability, wide speed range. Double closed loop speed regulation system setting the speed regulator and current regulator to adjust the speed and current respectively, to achieve the goal of steady speed.This design adopts three-phase fully-controlled bridge circuit of power supply, make sure
4、the structure of the whole system framework, determine the organization form of the main circuit and complete the various components of the design, type selection, choose to participate. After design, including protection and buffer circuit, drive circuit. In the end, is the focus of this article, t
5、he design of the control circuit, determine the structure and components, and complete control circuit element parameters calculation, MATLAB simulation software for the whole circuit are simulated, attach the electrical general layout of the whole system.Keywords: DC speed control system； PI regula
6、tor； simulation analysis；目录1 绪论11.1晶闸管电动机直流调速系统的发展及概述11.2研究课题的目的和意义11.3 设计要求和内容12系统电路的结构和组成22.1 主电路的选择与确定22.2双闭环调速系统的组成43主电路各器件的选择和计算53.1 整流变压器的计算和选择53.2整流晶闸管的选型63.3平波电抗器的选型73.4主电路保护电路的设计93.5驱动电路的设计134转速、电流双闭环调速系统的设计1441 电流调节器的设计1442 转速调节器的设计175基于MATLAB的系统仿真22附图25结论26参考文献27谢辞281 绪论1.1晶闸管电动机直流调速系统的发展
7、及概述调速控制系统自诞生以来就发展异常迅速。20世纪初期出现了第一支电子管（可在真空中控制电子流），很快便有了用对密封在管内的水银进行蒸馏产生的电弧来控制电流的水银整流器。其性能与早期晶闸管极为相似。1947年贝尔发明了晶体管，它应用硅二极管作为半导体，由于其优异的性能而得到广泛应用，到了1964年，晶闸管整流装置系统进一步成熟，逐步取代了早期的整流器，使变流技术发生翻天覆地的变化。直流电机因为控制精度比较高且易于控制，一直被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。直流电机起、制动性能非常理想，可以很方便的大范围内平滑调速，在快速正反转的运动控制领域中应用更是广泛。直流调速技术是电力电子技术
8、中发展较早的技术，在各方面都已趋于成熟，所以应首先弄清直流传动控制系统。1.2研究课题的目的和意义V-M系统一般是通过调节触发脉冲的相位来改变电压幅值从而实现平滑调速的。但对高精度负载来说，正常的开环调速系统一般不能满足对静差率的要求，这时就必须要采用闭环控制系统。闭环调速系统中，单闭环调速系统的调节作用受各个环节的迟滞，其抗扰动的能力较差。而双闭环调速系统由于增添了一个内环反馈，扰动需要通过内外两环反馈，往往调速性能更为理想，因此，其在电气传动领域当被广泛采用，它有着优良的动、静态特性。而且多种复杂的交、直流运动控制系统均是以其为基础，所以掌握双闭环调速系统对人们的生产生活有着至关重要的作用
9、1。1.3 设计要求和内容1.3.1调速系统设计要求1. 该调速系统可连续平滑调速，具有足够宽的调速范围。2. 该控制系统具有优良的静态性能，无静差。3. 该调速系统稳态性能：调速范围不小于20，静差率不大于百分之五。 4. 系统技术参数：电动机参数： 电枢回路总电阻： 1.3.2 系统设计内容本设计基于转速、电流双闭环调速系统，主要包含以下几个方面。1.根据题目要求，确定主电路与调速电路的构成，并绘出其原理图。2.确定主电路各个元部件，并完成各个元部件主要参数的计算。3.驱动电路的设计与完成。4.绘制出整个系统原理图，并用Matlab仿真软件完成仿真分析作业。2系统电路的结构和组成2.1 主
10、电路的选择与确定在生产生活中并没有大规模存在的直流电，一般需要将三相电经整流环节整流成直流电后才能向直流电机供电。当然，在这个过程中间必须有驱动电路与保护电路。我们需要根据各个元件在电路当中的位置与作用来分别选择与计算各自参数，如图2-1所示为本设计系统电路设计框图。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机保护电路双闭环直流调速机整流驱动电路供电图2.1 系统电路设计框图在V-M系统中，一般是用改变脉冲的相位的方法来改变输出电压，最终来实现调速。由于本设计对直流脉动电压的要求比较高，再考虑经济性等方面，主电路选择三相全控桥整电路来供电。由于该型电路输出电压的脉动较大，其所需要串接的平波电抗器的感
11、抗值可相应减少近一半。这是其电路的明显优点，且所需整流装置响应速度快、工作效率高，能量损耗小。综合选晶闸管三相全控桥整电路供电 2。直流电机一般是通过改变电枢端电压、改变励磁、改变电枢回路总电阻这三种方法来实现调速的。而改变电枢总电阻是无法实现平滑调速，减弱磁通的方式又会受到调速范围的制约，一般只是辅助调压方案，调压才是调速控制系统最理性的调速方式，电压调速一般需要有专用的供电电源，可控整流装置一般采用半控器件的代表-晶闸管，利用晶闸管的单向导电性和移相控制原理结合在一起的技术, 来实现平滑调压。V-M系统主电路原理图如2-2所示：方法前文已叙，通过调节GT来移相，从而改变电压幅值来实现平滑调
12、速 3。图2-2 V-M系统原理图主电路原理图如图2-3所示，三相全桥电路由三个晶闸管组成共阴极晶闸管组， 另三个晶闸管接成共阳极晶闸管组，当两组晶闸管中承受电压模值最高的两个晶闸管同时也接到门极触发脉冲而导通的时候，整个电路构成一个完整的闭合回路。晶闸管的触发角是相同的，每个周期内所有晶闸管都要按照编号轮流触发导通一次，每个晶闸管触发脉冲间隔60度。当然，电路中也要有过电压、过电流等保护装置。 图2-3调速系统主电路原理图2.2双闭环调速系统的组成双闭环系统是在单闭环系统基础之上发展得来的。单闭环系统虽已满足大部分负载的要求。但是,在某些场合下单环系统并不能满足生产的需要。比如，需要反复启停
13、的负载就会对电机承受过载的能力有更高的要求,为满足这些高要求的负载，我们需要在闭环系统中添加电流负反馈环节。实际当中系统除了要控制转速, 还需要经常快速启停,如车床等, 为了有更好的效益,我们要求过渡过程也要尽可能短。在启动的时候，启动电流会迅速达到峰值,而大部分时间内均小于该峰值, 这就说明电机在启动过程中其过载能力仍有很大潜力。如果能使电机在大转矩下快速启动, 启动时间就会相应的缩短。这就是理想的启动状态,电机的启动电流会迅速加大到最大允许值,且维持到转速增加到合适的大小后，电流再下降回正常值。这个过程需要ACR来调节电流，加上之前调节转速的调节器，这形成了双闭环调速系统。如图2-4所示。
14、为了使两个负反馈都可以发挥作用，两者位置如图2-4。，ACR调节电流，在内环，ASR调节电流，在外环 4。图2-4 双闭环调速系统结构框图为了得到更好的动、静态特性，本系统均选PI型调节器。采用比例积分型可是其输出稳态值与输入之间保持相对独立性。调速系统的静态特性在负载电流没达到最大电流时以转速负反馈为主。而负载电流过大的时候ASR就会达到，这时ACR就会发生作用，系统调节电流至新的稳定状态。这就是两个PI调节器内、外环两重调节的效果。3主电路各器件的选择和计算3.1 整流变压器的计算和选择在绝大多数场合下，整流装置需要的电压与电网电压并不匹配；另外，为了实现两者之间的电气隔离，通常需要在两者
15、之间装配整流变压器，在此选-Y型连接方式的整流变压器，以下分别计算其参数5。(1) 的计算为了维持系统的正常工作，变压器一次侧电压不宜波动太大，对产生影响的参数一般有：(1)负载电流的最大值。(2)晶闸管本身导通的管压降。(3)平波电抗器产生的电压降。(4)电枢电阻的压降。忽略这些因素，对本设计而言，采用经验公式： （3-1）计算得=120.6127.0V，取=125V(2) 和的计算不计励磁电流，根据磁动势平衡原理可知： （3-2）查表3-1可知三相全桥电路表3-1 整流变压器计算系数一览表1.17则三相全桥整大电感负载时二次侧电流： （3-3）解得=51.9A变压器二次侧额定容量为： （3
16、-4）解得=19.46KVA 设计选择的整流变压器。 3.2整流晶闸管的选型合理选择晶闸管可以使其安全可靠经济的运行。选择晶闸管主要是看以下两个参数，额定电流与额定电压 6。先确定，必须大于元件所承受的峰值电压，一般还需要有23倍的安全余量，计算公式： （3-5）本设计属三相全控桥整电路，则晶闸管可能承受的最大电压： 计算： （3-6）取800V 之后确定，其有效值应不小于负载电流的最大值。一般也需要考虑1.5 2倍安全余量 7。 （3-7）解得 （3-8）解得则晶闸管的额定电流： （3-9）解得 选晶闸管取额定电流为50A。综上所述，本设计选用晶闸管的型号为KP-50A3.3平波电抗器的选型
17、直流侧电抗器的选择直流侧电路一般需要串接个平波电抗器来抑制电流的脉动、保持系统可靠运行、并在特定场合保证电流连续 8。（1）限制输出电流的脉动的电感 （3-10）-三相全控桥电压脉动系数-三相全控桥电流基频则（2）保证电流连续的电感 （3-11） -三相全控桥计算系数则（3）漏电感 （3-12）-计算系数，一般取=812. 解得 （4）折合到交流侧上的漏抗 （3-13） 式中，-变压器短路比，取； -三相全控桥计算系数。 解得（5）则平波器电感 （3-14）解得=26,99mL（6）则电枢回路总电感 （3-15）解得 3.4主电路保护电路的设计半导体器件虽有优异的动、静态性能，使其应用广泛。但
18、其承受过压和过流的性能弱于绝大多数电力元件，短时的过电压或过电流都会导致整流装置的故障。因此加装完整的保护装置是非常必要的9。3.4.1过电压保护过电压保护一般包括直流侧和交流侧的过压保护，三种最常用的过电压保护分别是阻容保护、RC吸收电路保护、氧化物压敏电阻保护等。本设计采用压敏电阻过压保护。1交流侧过电压保护金属氧化物压敏电阻有正反向相同的伏安特性，在正常状态时只有很小的电流流过，出现过电压时压敏电阻可通过很大的电流，从而对电压进行有效的控制，且具有体积小、反映速度快的优势，因此该类压敏电阻是一种很不错的过电压保护元件，交流侧压敏电阻保护图如图3-1所示10。 图3-1 交流侧压敏电阻过电
19、压保护原理图（1）压敏电阻额定电压： （3-16） 其中，-变压器二次侧线电压， 则：（2）压敏电阻泄电流： （3-17）其中，-变压器线电流有效值，。 解得 （3）压敏电阻最大电压 （3-18）其中，-元件特性系数；。因此，压敏电阻额定电压取600V型压敏电阻。2直流侧过电压保护整流器发生换相失败或其他异常状态时，会产生过电压，一般方法是用非线性元件来抑制过电压现象，本设计用压敏电阻来解决过电压的问题。该保护原理图如图3-2所示11。图3-2 直流侧压敏电阻过压保护原理图压敏电阻额定电压： （3-19）其中，是电压升高系数， 本设计该系数约为1.051.10。 （3-20）则本设计： 故本设
20、计选择500V 型压敏电阻。3晶闸管过电压保护 晶闸管由于其本身容量的限制，其对电压的突变异常敏感。如高电压、大的电压突变、光照等都会使其误导通，从而对电路造成不利影响。因此，需要对晶闸管施加过电压保护，典型的晶闸管过电压保护如图3-3所示，采用阻容回路保护电路。图3-3 晶闸管阻容回路过电压保护其中各元件参照并无准确计算式，一般采用以下经验公式： （3-21）解得C=， 而一般故选择C= ，3.4.2过电流保护1交流侧过电流保护电子电路元器件发生故障或不正常运行状态的时候，都可能会出现过电流现象。常用的过电流保护方法有断路器保护、电流互感器保护、电抗器保护、快速熔断器保护等12。本设计利用在
21、TA的配合下的熔断器进行交流侧过电流保护，如图3-4所示图3-4主电路交流侧过电流保护图其参数选择：（1）熔断器额定电压选择：其值不应小于工作线电压。本设计中一次侧线电压为380V，故可选400V型的熔断器。（2）熔断器额定电流选择：其值不应小于电路的工作电流。本设计中一次侧的电流公式为： （3-22） 解得 熔断器额定电流： （3-23）解得因此本设计需要在变压器电源侧串接一个400V、25A的熔断器。2整流装置晶闸管过电流保护整流装置中的晶闸管由于其本身故障或其他原因，在故障或异常工作状态时都会承受一定时间的大电流，比如说逆变失败或误导通等等，而晶闸管本身承受过电流的能力又非常差，所以为其
22、施加过流保护异常重要，而快熔是最广泛使用的电力电子装置的过电流保护装置，本设计整流装置中的晶闸管也采用该元件实现过流保护，晶闸管过电流保护电路图如图3-5所示图3-5晶闸管过电流保护电路快熔额定电压：则选快熔额定电压值为400V3.5驱动电路的设计触发电路用来产生触发脉冲，保证晶闸管的可靠导通。晶闸管的门极触发脉冲必须满足以下条件： （1）宽度足够，至少保证晶闸管可靠导通。 （2）幅度足够，脉冲前沿陡度也要足够。 （3）触发脉冲应处于门极电压、门极电流和额定功率值三者确定的安全范围内。晶闸管触发电路种类繁多，比如有数字电路式、集成电路式、分立式等。分立式电路相对复杂而较少采用；数字式多用于单片
23、机中；集成电路性价比高，技术性能好，可靠性也有保障。故本设计选用常用的和集成电路块13。三相全桥电路每周期六个脉冲，脉冲间隔60。本设计采用同步触发方式，六个晶闸管依次触发。选用4个集成块（3个004型和1个041型），再用三级管进行放大，完整的集成触发电路如图3-6。图3-6 三相全控桥整电路集成触发电路4转速、电流双闭环调速系统的设计41 电流调节器的设计1. 电流时间常数（1）整流装置滞后时间常数，查表4-1知本设计的。表4-1 各种整流电路失控时间（f=50Hz） （2）电流滤波常数，三相桥式电路=0.002s。（3）电流环小时间常数总和，取。（4）电磁时间常数。 （4-1）解出而电磁
24、时间常数 （4-2）解得2. 确定调节器的结构由于电路设计要求，且对系统稳态性能要求较高，故电流调节器选典型PI型10，典型PI型运放传递函数： （4-3）其中 -比例系数；-电超前时间常数。3. 确定电流调节器的参数超前时间常数：电流环开环增益：当时，取 则 （4-4） 解得，而： （4-5） 解得，则： （4-6） 解得，式中，为晶闸管专制放大倍数。4. 校验条件电流环截止频率： 整流装置传函校验：满足条件。忽略反电动势波动系统影响条件满足近似条件，可以忽略。小时间常数近似处理校验满足条件。5. 计算电流调节器电容与电阻由图4-1，若选，则其余各电阻和电容值分别为 （4-7） 解得 取 （
25、4-8） 解得 取 （4-9）解得 取按以上参数计算得单电流环的超调量，可满足本设计题目要求。图4-1 PI型电流调节器电路图42 转速调节器的设计1. 确定时间常数（1）电流环时间常数。由前文计算得到，则（2）转速滤波常数，.（3）转速环小时间常数。 （4-10） 解得2.确定转速调节器结构前文已叙，本文转速调节器也选择PI型，其标准传递函数式： （4-11）3. 确定转速调节器参数若令，由： （4-12） 解得转速开环增益： （4-13）解得则ASR比例系数： （4-14） 其中 解得4.检验近似条件转速环截止频率为 （4-15） 解得（1）电流环传函简化校验：满足条件，可以简化。（2）A
26、SR时间常数忽略校验：满足条件，可以忽略。5计算调节器其余参数14如图4-2 所示，若取，则 （4-16） 解得 取 （4-17） 解得 取 （4-18）解得 图4-2 含滤波环节的PI型转速调器6.校正单转速环超调量当时，查表可知典型型系统单位阶跃信号下跟随指标表得，超调量不满足设计要求。表4-2 典型II型系统单位阶跃信号跟随性能指标（准则确定）实际上，当时，由表4-3查得，表4-3 典型II型系统动态抗扰指标与参数的关系开环速降公式： （4-19） 式中，电机总电阻；则调速系统开环速降 （4-20） 解得此时，不能满足要求。7. 校核最大速降 （4-21） 解得 r/min当h=5时，查
27、表4-3得， （4-22） 解得 （4-23）解得，不满足系统要求。8. 单转速环超调的抑制由上述参数计算得知系统超调量并不满足要求，因此要额外添加微分反馈环节。添加之后的转速调节器图如图4-3所示。图4-3 添加微分环节后的转速转速调节器图中新添加的参数是和，其中，时间常数由计算得： （4-24） 由于题目要求最大超调量，现令，则由该式解得：微分电容容抗： （4-25）解得滤波电阻阻抗： （4-26）解得9校整调整后的动态速降调整之后转速微分常数：而设计题目动态转速降，则。而已求故：由表可知，当时，当时，而现在，满足要求。10. 校核调整时间由表可知，在时，则，满足要求。5基于MATLAB的
28、系统仿真以上部分对系统的设计只是理论上的结果，需要用进行仿真分析来验证整个设计15。仿真之前先要完成系统动态模型的建立，本设计系统动态数学框图如图所示图5-1 双闭环系统动态数学框图图图中所需要的各参数在第四章设计完毕。代数后就得到了图5-2。为了便于分析，在ACR和ASR的输出端各有一个13V的限幅值。图5-2 双闭环系统动态框图本次仿真最终的超调量很大，与计算出的估算值很不相符，原因有部分参数的近似处理、计算中用的经验公式、欠考虑的其他因素等等，其实并不十分准确。另外，从仿真图还发现转速脉动也偏大，造成的结果是转速的超调量也偏大，因此需要添加一个微分环节。系统在五秒左右人为的加入了外部模拟
29、扰动。最终仿真图如图所示图5-3 双闭环系统输出仿真图形从图中可以观察到直流电机在起动到第五秒左右时有较大扰动，对照纵坐标转速刻度易得到其超调量：超调量相对偏小，但是与计算值相比还是有一定差距。当转速上升快到1秒的时候，系统接近稳定运行，在5秒左右加扰动之后系统经过了一个自动调节的过程，转速重新达到稳定值。这是双闭环系统自动调节的结果。 附图结论本文题目是设计晶闸管电动机的调速系统，近四个月的努力使我对运动控制系统中V-M系统的结构特点、工作过程与原理有了更深入的了解与体会。本设计的主要部分是对调速系统主电路的设计与控制电路调节器的设计。毕业设计是一项非常锻炼人的工作，我通过网络找到了许多有关
30、的设计与资料，学会了如何利用网上的资源。与指导老师霍建振连续六次的讨论与交流使我受益匪浅，很快的理顺了思路并有了比较完整的设计大纲确。设计过程中遇到问题与困惑时及时与老师反馈与同学交流，在老师的辅导、同学们的帮助和自己的努力下比较顺利的完成了本设计。通过本次的毕业设计，我可以体会到自己在理论与实践水平上的提高，对V-M调速系统有了比较深刻的认识，并培养了自己对电力电子和运动控制这两门专业课的兴趣，对自己以后研究生学习阶段也有一个不错的铺垫，设计中我也体会到了做学问所需要的严谨的风格，万不可弄虚作假，当然，本设计不存在这些问题，每个参数也是自己一步步的比较准确的算出来的。参 考 文 献1 王兆安
31、，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2011. 60-68.2 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京：机械工业出版社，2013.7169-1703 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计，北京：电子工业出版社，2011, 303-306.4 天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册M.北京:机械工业出版社,2012.9. 13-16.5王彦辉.双闭环直流调速系统的设计新探J.平顶山师专学报， 2010.5;15(2):30-33.6张立勋，路敦民,沈锦华.直流调速系统设计及仿真J.应用科技，2014.63（6）：43-47.7孔红,直流调速系统数字仿真J.山西冶金,20
32、12.57-59.8刘洪恩.直流调速系统设计中应注意的问题J.河北工程技术高等专科学校学报,2011.21-23.9尹璐.速度与电流双闭环不可逆直流调速系统分析J.科技情报开发与经济，2014；16:173-174.10唐锡峰,刘猛,张猛.基于MATLAB的直流调速系统参数整定设计J.采矿技术,2013.6:55-56.11林辉，王辉.电力电子技术J.武汉理工大学学报，2012.5;15(2):32-33.12丁元杰.中小型电动机可控硅整流调速M.上海科学技术出版社 2010.13王芳.电子线路Protel 99SE使用教程M 长沙.中南大学出版社 201314秦族萌.电力电子开关器件及电路J
33、.北京.北京理工大学学报 2014.63（6）：43-47.15马济泉.双闭环调速系统的工程设计J.冶金自动化，2011.63（6）：43-47.谢 辞本课题在研究过程中得到霍建振老师的悉心指导。在此，谨向霍建振老师致以最崇高的敬意。本设计从十二月份开始着手，四月初基本结束，历时近四个月。自己付出了很多，但收获的更多。设计之前自己就比较仔细的将涉及到的专业课比如电力电子技术、运动控制技术、数字电子技术等等重新复习了一遍，通过本次设计将一些单独的知识点或章节组合在一起，构成一个完整的设计。自己内心还是非常骄傲的，当然在这个过程中老师们和同学们的指导与帮助起了异常关键的作用，在此一并感谢。另本设计在作业期间引用与参考了诸多文献与论文，感谢文献与论文的作者。